8/17/2021，光纖在線訊，英國謝菲爾德大學劉宇宸博士供稿。該校電子電氣學院先進探測器研發(fā)團隊在III-V族砷化鎵雪崩擊穿二極管探測器（APD）的低隨機碰撞電離噪聲的研究方面取得突破。 此項研究發(fā)現(xiàn)在砷化鎵（GaAs）半導體材料中加入少量的鉍元素（Bi），能有效增加砷化鎵半導體材料價帶的自旋軌道分裂能（split-off orbit），從而大幅度降低空穴碰撞電離系數(shù)，實現(xiàn)了低過度噪聲砷化鎵基 APD, 此種新型技術有望對現(xiàn)有APD技術實現(xiàn)革命性進步。國際權威期刊《Nature Communications》 (《自然-通信》)已發(fā)表其相關成果1。

APD因其高靈敏度已被廣泛應用于光通信和激光雷達等熱門應用領域中。目前針對APD的主要挑戰(zhàn)是尋找一種可以提供高增益和低碰撞電離噪聲的雪崩倍增區(qū)的材料(如傳統(tǒng)體硅（Silicon）材料) ，且同時具備探測傳統(tǒng)光通信波段的能力。然而現(xiàn)有商用鍺（Geranium）或銦鎵砷/磷化銦（InGaAs/InP）光通信APD的倍增區(qū)材料都具有非常相似的電子和空穴電離系數(shù)，從而產(chǎn)生較大的碰撞電離噪聲限制了器件靈敏度和傳輸速度。
英國謝菲爾德大學的研究團隊發(fā)現(xiàn)在砷化鎵半導體材料中加入少量的鉍元素將極大地降低其材料的空穴電離系數(shù)，同時保持電子的電離系數(shù)幾乎不變, 從而實現(xiàn)了砷化鎵基APD優(yōu)異的低碰撞電離噪聲特性, 同時也提高砷化鎵基探測器的探測波長范圍, 使之符合未來市場對近紅外APD要求。這也是首次使用低合金方法改變了砷化鎵的能帶結構，并通過能帶工程調(diào)控改變控制了半導體材料的電離系數(shù)(參見，圖1)。此項研究為開發(fā)其他III-V族半導體低碰撞電離噪聲APD提供了新的思路和方法，目前該團隊正在驗證其他III-V族材料中加入少量鉍元素后是否可實現(xiàn)類似物理效應，從而通過半導體材料能帶工程調(diào)控, 以實現(xiàn)低碰撞電離APD優(yōu)異器件特性的目標。
 
圖1，加入4%鉍后的砷化鎵能帶變化(來源：《自然-通信》)。

1Y. Liu, X. Yi, N. Bailey, Z. Zhou, T. Rockett, L. Lim, C. Tan. R. Richards & J. David. “Valence band engineering of GaAsBi for low noise avalanche photodiodes” Nature communication, 2021. DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-021-24966-0